[发明专利]一种碳网络超结构的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于微纳米碳材料制备技术领域，具体涉及一种碳网络超结构的制备方法。

背景技术

随着纳米材料科学的发展，有序纳米材料的制备与研究引起了人们的广泛关注。目前制备有序纳米材料的方法较多，其中模板法是比较常用的一种方法。现在一般利用的模板有高分子模板，云母模板，表面活性剂模板和氧化铝模板。近年来，利用形态各异、结构复杂的微生物体和植物体作为生物模板来控制合成微纳米、纳米材料引起了人们足够的兴趣。如，Shankar等利用天竺葵叶子来还原氯金酸盐制备到不同形貌的Au纳米材料。

在这些生物模板中，最引人注目的就是鸡蛋膜了。鸡蛋膜(俗称凤凰衣)是指蛋壳与蛋白间的纤维状薄膜，含蛋白质、脂质、糖、灰分及20种氨基酸。鸡蛋膜的特定组成和结构决定了蛋膜的特殊性能。人们利用鸡蛋膜作为模板合成微、纳米材料，取得了许多优秀的成果。北京大学的齐利民教授利用鸡蛋膜模板控制合成了大孔网状TiO₂纳米管；我们课题组也利用鸡蛋膜控制合成了不同形貌的钨酸盐和CdS纳米空心球链。

鸡蛋膜作为模板法在制备纳米材料时有以下优点：合成方法简单，条件温和，合成所用的模板容易得到；鸡蛋膜的复杂结构可能会合成出各类新奇的微、纳米材料，甚至构建极其复杂的纳米超结构。目前的研究局限在利用鸡蛋膜的半透膜性能，没有对鸡蛋膜进行修饰。

碳泡沫(网络超结构)是一种新型的多孔轻质固态碳材料，自20世纪60年代，Walter Ford通过高温热解热固性树脂的方法制备了碳泡沫以来，碳泡沫的良好的开孔结构、较低的热导系数、良好的机械强度、耐热和优良的电子传导能力等物理化学性质，这些性能使得碳泡沫在航空航天、燃料电池、结构材料、催化环保和微电子工业及IT产业等方面呈现出了广阔的应用前景，引起了众多物理学、化学以及材料学领域研究者的广泛关注和高度重视，成为国际新材料领域的研究前沿和热点。

目前，关于碳泡沫的特性和制备方法的研究已取得很大的进展，碳泡沫作为新型多孔材料中最具潜力的材料之一，其制备方法的研究得到广泛关注。碳泡沫的制备方法主要有热分解法、溶胶-凝胶法、发泡法、模板法以及高频脉冲法等。其中模板法由于具有反应过程易于控制、适用性强、制备方法简便、产品纯度高等优点，而被广泛应用于制备碳超结构材料。

碳泡沫因其具有良好的热、电、化学和机械性能等特性，已成为全世界的研究热点，在热控材料、纳米电子器件、电极材料、安全防护、复合增强材料及催化剂的支撑材料等众多领域取得了广泛应用。随着碳网络结构合成技术的日益成熟，低成本大量合成碳泡沫已经成为可能。但是，目前各国对碳泡沫的研究方兴未艾。

发明内容

本发明的目的在于提出一种操作简便、条件易控、经济的可用于大规模生产的碳网络超结构的制备方法。

本发明提出的碳网络超结构的制备方法，具体步骤如下：

(1)将蛋壳洗净，浸泡在盐酸溶液中，以除去碳酸钙外壳，得到有机薄膜；

(2)把步骤(1)得到的处理后的鸡蛋膜洗净后，浸泡在碳酸氢钠溶液中20-30小时，同时添加吐温80，吐温80与NaHCO₃的体积比为1∶10～1∶50；

(3)将鸡蛋膜取出自然条件下晾干后，放入石英舟内，然后在管式炉中灼烧，在N₂保护下，烧结条件为：以1°/m的速度升温至100℃，保温0.5小时，然后以2°/m的速度升温至500-550℃，保温3h，自然冷却至室温后，取出石英管，得到黑色产物，即得所需产品。

本发明中，所述经处理后的碳化鸡蛋膜增大的比表面积，所用碳酸氢钠、盐酸为分析纯。

本发明中，步骤(2)中蛋膜中的碳酸氢钠是起泡剂，在烧结过程的可以产生气体流，制备孔状的碳网络，吐温80是匀泡剂，可以制备有序的孔状碳网络超结构。

利用本发明方法所得产物碳网络超结构的结构、形貌和性质可以分别采用X射线粉末衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、热重差动热分析(TG-DSC)等手段进行表征。

本发明优点在于：

1、本发明提出了一种制备有序碳网络超结构的方法，探索了不同实验条件对所得产物结构和性质的影响，为工业化生产提供了实验依据。

2、本发明工艺简单，整个制备过程操作简便，条件易控，而且产物后处理方便，因此易于大规模的生产。

3、本发明所需原料易得，无需使用任何特殊的添加剂及催化剂等。因此本发明具有经济、成本廉价的特点。

4、本发明在制备时不产生对环境有污染的副产物，符合可持续发展要求，是一种环保型合成工艺。